《牛頓第一定律》一節(jié)的教學(xué)設(shè)計

牛英申 關(guān)廣菊 李新鄉(xiāng)

摘要:在高中物理教學(xué)中,猜想與假設(shè)是在證據(jù)不足的情況下,學(xué)生嘗試依據(jù)有限的線索、條件和知識經(jīng)驗,充分發(fā)揮直覺、想象等思維,運(yùn)用科學(xué)的方法,對發(fā)現(xiàn)的問題提出創(chuàng)造性的解釋或推測。通過猜想與假設(shè)訓(xùn)練,可以使學(xué)生獲得科學(xué)的探究方法,進(jìn)而在教學(xué)中全面有效地開展探究學(xué)習(xí)活動,轉(zhuǎn)變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。

關(guān)鍵詞:探究;猜想與假設(shè);問題

中圖分類號:G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1003-6148(2009)7(S)-0029-4

1 教學(xué)任務(wù)分析

牛頓在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書中提出了三條定律,這三條定律統(tǒng)稱牛頓運(yùn)動定律,并以牛頓運(yùn)動定律作為力學(xué)理論建立起了牛頓力學(xué)。因此,“牛頓運(yùn)動定律”是力學(xué)知識的核心內(nèi)容。

牛頓第一定律是在實驗基礎(chǔ)上,以邏輯思維的方式推理出來的。它揭示了力不是維持物體運(yùn)動的原因,而是改變物體運(yùn)動的原因,為進(jìn)一步探究力和運(yùn)動間的定量關(guān)系指明了方向。牛頓第一定律的實質(zhì)是:“它給出了一個不受力或所受合力為零的物體或物體系,這個系統(tǒng)不存在運(yùn)動狀態(tài)的改變,即這個系統(tǒng)不存在加速度。我們知道物理學(xué)中所研究的問題都是相對的,即以一定的物體或物體系作參照物的,而牛頓第一定律就給出了這樣一個沒有加速度的參照物系——慣性系?！盵1]慣性系為牛頓第一、二定律提供了使用的參考范圍。

牛頓第一定律破除了近兩千年來亞里士多德的錯誤,改變了人類的自然觀和世界觀,導(dǎo)致了牛頓第二定律的得出,并使牛頓以新的視角看待引力,進(jìn)而令人信服地表明:天上和人間服從同樣的力學(xué)。與此同時,它本身還包含著力、慣性和參考系這些概念,成為物理學(xué)理論的支柱和基石。在牛頓定律的建立過程中使用的控制變量法、理想實驗等科學(xué)研究方法,伽利略與牛頓等科學(xué)家自身的創(chuàng)造性思維品質(zhì)和敢于質(zhì)疑、堅持真理的獻(xiàn)身精神,又是過程與方法、情感態(tài)度與價值觀教育的優(yōu)秀素材,因此,它是力學(xué)教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容。

在人民教育出版社出版的普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書物理必修1中,牛頓第一定律是第四章第一節(jié)的內(nèi)容。第一、二章的內(nèi)容是運(yùn)動的描述,但沒有討論物體做這種或那種運(yùn)動的原因;第三章的內(nèi)容是相互作用。當(dāng)這三章學(xué)完以后,我們就會意識到力和運(yùn)動之間可能存在某種關(guān)系——牛頓運(yùn)動定律,這既能加深學(xué)生對運(yùn)動和力知識的理解,又為進(jìn)一步學(xué)習(xí)功能關(guān)系和曲線運(yùn)動鋪平了道路。因此,可以說牛頓第一定律在教材中起了承前啟后的重要作用。

另外,“牛頓第一定律”在此還具有雙重性。第一,它屬初、高中知識的結(jié)合點(diǎn);第二,它屬運(yùn)動學(xué)和力學(xué)的結(jié)合點(diǎn)。

2 學(xué)生學(xué)習(xí)心理分析

在初中,學(xué)生已經(jīng)知道了牛頓第一定律的相關(guān)內(nèi)容。隨著時間的推移,高一學(xué)生已擁有了一定的邏輯推理能力、科學(xué)想象能力及不成熟的實驗操作能力,但是往往由于他們對身邊的生活現(xiàn)象只是從直接經(jīng)驗得出直覺結(jié)論,缺乏理性的思考,對力是維持物體運(yùn)動的原因還是改變物體運(yùn)動狀態(tài)的原因,容易產(chǎn)生片面、不恰當(dāng)?shù)恼J(rèn)識。同時,牛頓第一定律是無法用實驗進(jìn)行驗證的,只能在實驗的基礎(chǔ)上,進(jìn)行理論推導(dǎo),這對學(xué)生來說是比較抽象的,學(xué)生可能會在理解上有一定的困難。

新教材首先陳述了伽利略研究運(yùn)動和力的關(guān)系的思想方法及卓越貢獻(xiàn),而后講述了牛頓第一定律的內(nèi)容和物體慣性的概念。針對本節(jié)課內(nèi)容,教材密切聯(lián)系生活的實際情況,讓學(xué)生從生活入手,對發(fā)生在身邊的物理現(xiàn)象或發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行猜想,讓學(xué)生經(jīng)歷人類認(rèn)識“運(yùn)動和力”關(guān)系的推理過程,以促進(jìn)學(xué)生猜想與假設(shè)能力的提高。希望通過對教材的學(xué)習(xí)達(dá)成正確認(rèn)識力和運(yùn)動關(guān)系的目的,進(jìn)而理解科學(xué)研究中常用的理想實驗方法,把握解決動力學(xué)問題的基本思路和方法的目的。

3 教學(xué)目標(biāo)

3.1 知識與技能

3.1.1 理解牛頓第一定律。

3.1.2 了解人類探索力和運(yùn)動關(guān)系的過程。

3.1.3 知道慣性的概念,并能用慣性解釋一些生活中的現(xiàn)象。

3.2 過程與方法

3.2.1 在探究力和運(yùn)動關(guān)系的過程中,進(jìn)一步學(xué)習(xí)控制變量法,培養(yǎng)猜想與假設(shè)能力。

3.2.2 在用伽利略斜面實驗研究力和運(yùn)動關(guān)系的過程中,學(xué)習(xí)理想實驗這種科學(xué)研究方法。

3.3 情感、態(tài)度與價值觀

3.3.1 在學(xué)習(xí)牛頓第一定律建立的過程中,學(xué)習(xí)伽利略與牛頓等科學(xué)家的創(chuàng)造性思維品質(zhì)和敢于質(zhì)疑、堅持真理的獻(xiàn)身精神。

3.3.2 在研究生活中對慣性的利用及預(yù)防過程中,樹立將所學(xué)知識應(yīng)用于生產(chǎn)和生活實踐的意識。

4 教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)

4.1 教學(xué)重點(diǎn):牛頓第一定律。

4.2 教學(xué)難點(diǎn):力和運(yùn)動關(guān)系的得出。

5 教學(xué)過程

5.1 導(dǎo)入新課

前面我們學(xué)習(xí)了運(yùn)動的描述及物體間的相互作用,但并沒有進(jìn)一步討論物體為什么做這種或那種運(yùn)動,要想討論這個問題就需知道力和運(yùn)動的關(guān)系,這一節(jié)我們就研究這個問題。

板書:第一節(jié) 牛頓第一定律

教學(xué)設(shè)計說明 開門見山,闡述課題。

5.2 創(chuàng)設(shè)情境,提出問題

教師邊講邊演示:放在講桌上的物理書,它是靜止的,持續(xù)對它施加推力,它就運(yùn)動;不施加推力,它就靜止。根據(jù)上面的實驗現(xiàn)象你想到了什么?發(fā)現(xiàn)了什么問題?

教學(xué)設(shè)計說明 根據(jù)新課程的精神,從學(xué)生身邊發(fā)生的現(xiàn)象中,讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)感興趣的問題,進(jìn)而提出可供探究的問題,從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

5.3 猜想與假設(shè)

學(xué)生可能想到的問題:人推小車,小車運(yùn)動,不推車就靜止等現(xiàn)象。

學(xué)生可能發(fā)現(xiàn):對物體持續(xù)施加力,物體就運(yùn)動;停止施加力,物體就停止。

引導(dǎo)學(xué)生對上面的回答進(jìn)行討論,提出猜想①:力是維持物體運(yùn)動的原因嗎?

古希臘的亞里士多德也從生活現(xiàn)象中推測出了相同的結(jié)論。對這個結(jié)論有不同意見嗎?

教學(xué)設(shè)計說明 學(xué)生對力和運(yùn)動關(guān)系片面的、不恰當(dāng)?shù)恼J(rèn)識是本節(jié)課學(xué)生學(xué)習(xí)心理的關(guān)鍵點(diǎn)。同時,對亞里士多德的功績應(yīng)給予肯定。

讓學(xué)生先思考在日常生活中是否觀察到過不同的現(xiàn)象,然后結(jié)合自己已有的生活經(jīng)驗在小組內(nèi)進(jìn)行討論,最后小組派代表發(fā)言。

學(xué)生可能認(rèn)為不對。理由為:自行車蹬一段時間后停止蹬車,自行車會滑行一段距離;冰面上踢出去的冰塊,腳不對其施加力仍能運(yùn)動很遠(yuǎn)等等。

引導(dǎo)學(xué)生提出猜想②:力不是維持物體運(yùn)動的原因。

教學(xué)設(shè)計說明 學(xué)生通過對身邊的物理現(xiàn)象進(jìn)行分析、推理,改變根據(jù)直接經(jīng)驗得出直覺結(jié)論的錯誤認(rèn)識,發(fā)現(xiàn)問題的實質(zhì),充分鍛煉學(xué)生的創(chuàng)造思維能力。

讓學(xué)生共同分析、討論“水平路面上,小車運(yùn)動一段距離后,變?yōu)殪o止的原因是什么呢?”

引導(dǎo)學(xué)生提出猜想③:運(yùn)動小車停下來的原因是小車受到摩擦力的作用。(學(xué)生想到小車變?yōu)殪o止的原因可能是重力、速度等,引導(dǎo)學(xué)生一一排除)。

教學(xué)設(shè)計說明 學(xué)生通過對問題原因的大膽的推測,充分鍛煉學(xué)生的創(chuàng)造思維能力。

5.4 實驗探究

5.4.1 教師讓學(xué)生自己設(shè)計一個實驗方案來驗證“運(yùn)動小車停下來的原因是小車受到摩擦力的作用”,可由學(xué)生在小組內(nèi)討論解決,然后由小組代表發(fā)言。

板書:控制變量法

在學(xué)生回答實驗方案的過程中,如果沒有注意到控制到達(dá)水平面時小車的速度,教師需要有意識地引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)影響小車運(yùn)動距離的還有另外一個因素——小車的運(yùn)動速度。并進(jìn)一步提出研究的問題:當(dāng)受到多個因素的影響時,應(yīng)采用什么方法來研究,怎樣控制才能使小車的速度一樣大呢;如果學(xué)生已經(jīng)注意到,就詢問為什么要控制小車的速度,這種實驗的研究方法是什么?

讓學(xué)生仔細(xì)檢查桌子上的實驗器材,并思考運(yùn)用這些器材能否達(dá)到實驗?zāi)康?如果可以,就以小組為單位進(jìn)行實驗來驗證猜想。

5.4.2 提出問題:如果換用棉布(摩擦力小些)軌道,小車運(yùn)動的距離會怎么樣?

學(xué)生提出猜想④:如果換用棉布軌道,小車運(yùn)動的距離變大。

讓學(xué)生仔細(xì)檢查桌子上的實驗器材,運(yùn)用這些器材能否驗證猜想④,如果可以,就以小組為單位進(jìn)行實驗驗證猜想。

5.4.3 提出問題:如果換用木板(摩擦力更小)軌道,小車運(yùn)動的距離會怎么樣?

學(xué)生提出猜想⑤:換用木板軌道,小車運(yùn)動的距離更大。

讓學(xué)生仔細(xì)檢查實驗器材,運(yùn)用這些器材能否驗證猜想⑤,如果可以,就以小組為單位進(jìn)行實驗驗證猜想。

5.4.4 提出問題:如果換用玻璃板(更光滑)軌道,會有什么現(xiàn)象發(fā)生呢?

學(xué)生提出猜想⑥:小車在玻璃板上的運(yùn)動距離比在木板上運(yùn)動距離大。

繼續(xù)提出問題:如果水平軌道絕對光滑且足夠長,即沒有摩擦力或摩擦力為零,小車的運(yùn)動將會是什么樣呢?

學(xué)生提出猜想⑦:如果摩擦力變?yōu)榱?小車會在平面上一直運(yùn)動下去。

由于絕對光滑的材料是不存在的,而且也不能通過實驗來驗證,我們只能在原先實驗的基礎(chǔ)之上進(jìn)行推理。因此,這個實驗只能是理想化的。

教學(xué)設(shè)計說明 通過對比實驗,找出問題的本質(zhì)——物體的運(yùn)動不需要力來維持,鍛煉學(xué)生的猜想與假設(shè)能力。

隨著科學(xué)技術(shù)在教育上的應(yīng)用,我們可以應(yīng)用電腦技術(shù)模擬這個實驗來驗證大家的猜想。教師用多媒體演示這個實驗。(在演示的過程中提問:小球從一個斜面沖向另一斜面,達(dá)到同一水平高度才會返回。如果另一斜面變成水平,那么小球還會達(dá)到同一水平面嗎?還會做往返運(yùn)動嗎?它的運(yùn)動會是什么樣的呢?學(xué)生可能的回答:小車會一直沿水平面運(yùn)動下去。)

根據(jù)觀察的現(xiàn)象得出結(jié)論:力不是維持物體運(yùn)動的原因,而是改變物體運(yùn)動狀態(tài)的原因。

這就是著名的伽利略理想斜面實驗。伽利略設(shè)計的理想斜面實驗以可靠的事實為基礎(chǔ),把實驗與邏輯推理和諧地結(jié)合在一起,指出力不是維持物體運(yùn)動的原因,而恰恰是改變物體運(yùn)動狀態(tài)的原因,推翻了亞里士多德近兩千年的錯誤觀點(diǎn)。同時,伽利略的理想實驗——這種科學(xué)探究的方法有力地推動了科學(xué)的發(fā)展。

教學(xué)設(shè)計說明 通過觀察伽利略的理想實驗,啟發(fā)學(xué)生在研究科學(xué)問題時大膽的猜想與假設(shè)對科學(xué)研究具有重要的作用。

在此之后,笛卡爾又進(jìn)一步的補(bǔ)充:除非物體受到外力作用,物體將永遠(yuǎn)保持其靜止或運(yùn)動狀態(tài),永遠(yuǎn)不會使自己沿曲線運(yùn)動,而只會保持在直線上運(yùn)動。

5.5 得出結(jié)論:牛頓第一定律

牛頓在前人的基礎(chǔ)之上,進(jìn)一步進(jìn)行總結(jié),得出力學(xué)的一條基本定律。

5.5.1內(nèi)容

一切物體總保持勻速直線運(yùn)動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài),除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態(tài)。

5.5.2理解定律應(yīng)注意的問題

(1)沒有受到外力的作用時(實際問題中,物體不受力的情況是沒有的;物體受平衡力時,或者說合力為零時的情況跟不受力的情況是相同的),物體保持原來的運(yùn)動狀態(tài)。

(2)力不是維持物體運(yùn)動的原因,力是改變物體運(yùn)動狀態(tài)的原因,是產(chǎn)生加速度的原因。

牛頓在前人的基礎(chǔ)上,以獨(dú)特的視角建立了牛頓定律,為經(jīng)典力學(xué)建立了理論基礎(chǔ)。

5.6 應(yīng)用牛頓第一定律解決實際問題,加深對定律的理解

5.6.1 教師提出問題:一帆船在纖繩的牽引下勻速前進(jìn),當(dāng)纖繩牽引力減小時,帆船的速度也隨之減小的原因是什么?引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用牛頓第一定律來解釋這種現(xiàn)象。

5.6.2 教師提出問題:火車在長直水平軌道上勻速行使,門窗緊閉的車廂內(nèi)有一人向上跳起,發(fā)現(xiàn)仍落回原處,原因是什么?引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用牛頓第一定律來解釋這種現(xiàn)象。

5.7 在應(yīng)用牛頓第一定律的過程中發(fā)現(xiàn)慣性

5.7.1 教師提出問題:如果突然抽出墊在鋼筆帽下的紙條,會有什么現(xiàn)象發(fā)生?

引導(dǎo)學(xué)生提出猜想⑧:鋼筆帽可能會傾倒;可能會……。然后讓學(xué)生親自實驗操作,驗證自己的猜想。

5.7.2 教師提出問題:一木塊豎在勻速運(yùn)動的小車上,當(dāng)小車突然碰到障礙物時,會有什么現(xiàn)象發(fā)生?

引導(dǎo)學(xué)生提出猜想⑨:木塊可能會向前傾倒;可能會……。然后教師通過演示實驗驗證學(xué)生的猜想。

教學(xué)設(shè)計說明 充分發(fā)揮學(xué)生的發(fā)散思維能力,通過自己的親身體驗培養(yǎng)猜想與假設(shè)能力。

請學(xué)生再例舉一些生活中的慣性現(xiàn)象,如:汽車突然啟動或突然停止時發(fā)生的現(xiàn)象等實例,并從中發(fā)現(xiàn)了什么?

發(fā)現(xiàn)物體具有一種性質(zhì):物體都有保持原來的運(yùn)動狀態(tài)的性質(zhì)。

由牛頓第一定律知道,物體具有保持原來勻速直線運(yùn)動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)的性質(zhì),我們就把這種性質(zhì)叫做慣性。因此,牛頓第一定律又叫慣性定律。

教學(xué)設(shè)計說明 聯(lián)系生活實際,理解任何物體在任何情況下都具有的性質(zhì)——慣性。

提出問題:我們改變靜止的書本的運(yùn)動狀態(tài)與改變靜止的滿盒粉筆的運(yùn)動狀態(tài)所施加的力是不同的實例說明了什么?學(xué)生歸納出不同物體的慣性大小不同。

5.8 質(zhì)量是物體慣性的唯一量度

讓學(xué)生觀看一段視頻(質(zhì)量不同的兩輛玩具車在一根被壓縮彈簧的作用下運(yùn)動的現(xiàn)象,如圖1),思考與討論“慣性的大小與什么因素有關(guān)”。

學(xué)生分析與討論:在受力相同的條件下,質(zhì)量大的物體速度變化小,運(yùn)動狀態(tài)難改變,慣性大;質(zhì)量小的物體運(yùn)動速度變化大,運(yùn)動狀態(tài)容易改變,慣性小。從實例可看出,運(yùn)動狀態(tài)變化的難易程度只與質(zhì)量有關(guān),即在受力相同的條件下,決定運(yùn)動狀態(tài)變化難易程度唯一因素就是物體的質(zhì)量。

教學(xué)設(shè)計說明 通過分析與討論實例理解質(zhì)量是慣性的唯一量度。

5.9 應(yīng)用慣性解釋日常生活現(xiàn)象

讓學(xué)生運(yùn)用牛頓第一定律解釋生活中的現(xiàn)象,如:洗衣機(jī)甩干衣服;拍打衣服可除去灰塵;使勁甩手可把手上的水甩掉;撞擊錘柄可以使錘頭緊套在把上;摩托車飛躍斷橋;汽車司機(jī)駕車時必須系上安全帶等等。

6 板書設(shè)計

牛頓第一定律

教學(xué)設(shè)計說明 板書設(shè)計是教學(xué)中不可缺少的部分,是備課、授課中的一個重要環(huán)節(jié)。

參考文獻(xiàn):

[1]孫麗媛,徐恩生,羅洪超.牛頓第一定律的實質(zhì)地位和作用.沈陽航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報:22.2

(欄目編輯鄧 磊)